(57)【要約】【課題】拡散層に溜まった水を迅速に排出することができ、しかも、拡散層が破損し難い燃料電池の電極を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池の電極は、セパレータ３の拡散層２側に、一定の間隔で互いに平行で延在する無数のリブ３ａが突出して設けられている。拡散層２には、セパレータ３側に開口し、一定の間隔で互いに平行で延在する排水溝４と、排水溝４と直交し、一定の間隔で互いに平行で延在する排水溝５とが設けられている。リブ３ａは排水溝４と排水溝５とが交差する交差部６と対面する位置に設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散層と、該拡散層の一面側に積層されるセパレータとを備え、該セパレータの該拡散層側には複数のリブが設けられており、該リブが該拡散層に圧接されることによってガス流路が形成される燃料電池の電極において、
前記拡散層には前記セパレータ側に開口する複数本の第１の溝と、該第１の溝と交差して前記セパレータ側に開口する複数本の第２の溝とが設けられており、該第１の溝と該第２の溝とが交差する交差部上に前記リブが対面していることを特徴とする燃料電池の電極。
【請求項２】
前記第１の溝及び前記第２の溝は前記リブと鋭角で交差していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の電極。
【請求項３】
前記第１の溝の全長が前記リブと対面して設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の電極。
【請求項４】
前記第２の溝は前記第１の溝と鋭角で交差していることを特徴とする請求項３記載の燃料電池の電極。
【請求項５】
前記第１の溝の幅及び前記第２の溝の幅は０．１〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか1項記載の燃料電池の電極。
【請求項６】
前記第１の溝及び前記第２の溝の深さは拡散層の厚さの２０〜７０％であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか1項記載の燃料電池の電極。
【請求項７】
前記第１の溝及び前記第２の溝の少なくとも一方は前記ガス流路と交差しており、該ガス流路と交差する該第１の溝及び／又は該第２の溝は反応ガスの流れる方向に傾斜していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の燃料電池の電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、拡散層に溜まった水を容易に排出することができる燃料電池の電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、高分子電解質からなる膜が触媒層で挟まれ、さらにその触媒層の外側を集電及びガス拡散の役割を果たす拡散層で挟まれた膜−電極接合体（以下「ＭＥＡ」と称する）を備えている。そして、ＭＥＡの両面はガス流路を形成するセパレータのリブで挟持されて単位セルが構成され、さらにこの単位セルが複数積層されたスタックが形成されている。
【０００３】
この固体高分子型燃料電池では以下の電気化学反応が行われる。
アノード側：Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード側：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ
全反応    ：Ｈ２＋１／２Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ
すなわち、水素がアノード側のセパレータのガス流路に供給され、拡散層を通って触媒層に供給される。そして、触媒層での電気化学反応によって水素が酸化されてプロトンと電子とが生成する。こうして生成したプロトンは、オキソニウムイオンの形態で水を引き連れながら触媒層および高分子固体電解質内を移動し、カソード側に達する。
一方、カソード側に供給された酸素は、オキソニウムイオンと結合し、水が生成する。
こうして、固体高分子型燃料電池の内部における電気化学反応によって生じた水は、セパレータのガス流路を流れているガスとともに排出される。
【０００４】
しかし、拡散層内の水の排出速度が不十分な場合には、拡散層内に水が蓄積されて水浸しの状態となり（フラッディング現象）、反応ガスの拡散が妨げられて燃料電池の出力が低下する。この現象は、水の生成量が多くなる高出力下での駆動時において特に起こりやすいため、燃料電池の高出力化を阻む原因となる。
【０００５】
このような拡散層における水の蓄積による不具合を防止するため、拡散層に排水用の溝を設け、拡散層内の水の排出を促進させる燃料電池の電極の提案がなされている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−３２７３５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、拡散層に排水用の溝を設けた場合、図８に示すように、溝９０部分では溝９０の深さ分だけ拡散層９１の厚さが薄くなり、機械的な強度が低下してしまう。このため、リブ９２が拡散層９１に圧接される際に拡散層９１が変形し、破損するおそれがある。
こうした不具合は、図９に示すように、リブ９３に対面する位置に溝９４を設け、リブ９３を溝９４の周辺の拡散層９５に圧接させて、溝９４部分の変形を防ぐことにより回避することも考えられる。しかし、これでは溝９４がガス流路９６と対面しないため、溝９４に溜まった水の排出をガス流路９６に流される反応ガスによって促進するという効果が得られ難くなってしまう。
【０００７】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、拡散層に溜まった水を迅速に排出することができ、しかも、拡散層が破損し難い燃料電池の電極を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池の電極の第１の局面は、拡散層と、該拡散層の一面側に積層されるセパレータとを備え、該セパレータの該拡散層側には複数のリブが設けられており、該リブが該拡散層に圧接されることによってガス流路が形成される燃料電池の電極において、前記拡散層には前記セパレータ側に開口する複数本の第１の溝と、該第１の溝と交差して前記セパレータ側に開口する複数本の第２の溝とが設けられており、該第１の溝と該第２の溝とが交差する交差部上に前記リブが対面していることを特徴とする。
【０００９】
本発明の燃料電池の電極おける第１の局面では、第1の溝と第２の溝とが交差しているため、溝どうしのネットワーク化により、ある溝から隣の溝へ水の移行が自由にできる。このため、従来では排出され難いとされていたリブ下の溝に溜まった水であっても、ネットワーク化された溝を伝ってガス流路に対面する位置まで移動し、ガス流路を流れるガスによって迅速に排出されることとなる。
また、機械的強度が弱くなりがちな溝の交差部上にリブが対面しているため、交差部周辺の拡散層とリブとが圧接され、これにより交差部の変形が防止される。このため、交差部を起点とする拡散層の破損を防止することができる。
【００１０】
本発明の燃料電池の電極の第２の局面では、第１の溝及び第2の溝はリブと鋭角で交差することとした。こうであれば、リブ下の拡散層に溜まった水がガス流路を流れるガスによってより引き込まれやすくなり、水の排出がさらに容易になる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池の電極の第３の局面では、第１の溝の全長が前記リブと対面して設けられていることとした。こうであれば、交差部のみならず、第１の溝の全長に渡ってその周辺がリブによって押さえられ、変形が防止されるため、拡散層が破損することをさらに確実に防止することができる。
【００１２】
さらに、本発明の燃料電池の電極の第４の局面では、第２の溝は第１の溝と鋭角で交差することとした。こうであれば、リブ下の溝に溜まった水が、ガス流路を流れるガスによって、第２の溝を伝ってより引き込まれやすくなり、水の排出がさらに容易になる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池の電極の第５の局面では、第１の溝の幅及び第２の溝の幅は０．１〜１．０ｍｍであることとした。第１の溝の幅及び第２の溝の幅が０．１ｍｍ以上であれば、拡散層に溜まった水をさらに確実に排出することができる。また、第１の溝の幅及び第２の溝の幅が１．０ｍｍ以下であれば、リブと拡散層との接触面積はそれほど小さくならないので、セパレータの集電電極としての機能を損なうこともない。
【００１４】
さらに、本発明の燃料電池の電極の第６の局面では、第１の溝及び第２の溝の深さは拡散層の厚さの２０〜７０％であることした。第１の溝の深さがこの範囲であれば、機械的強度の低下も小さく、水の排出も確実となる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池の電極の第７の局面では、前記第１の溝及び前記第２の溝の少なくとも一方は前記ガス流路と交差しており、該ガス流路と交差する該第１の溝及び／又は該第２の溝は反応ガスの流れる方向に傾斜していることとした。このように、ガス流路に交差する溝が反応ガスの流れる方向に傾斜していれば、その溝に溜まった水がガス流路を流れる反応ガスの勢いによって排除される際に、溝内部の水が溝の傾斜を駆け上って排除されるため、水の排除がさらに促進される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
拡散層の製造方法
本発明の燃料電池の電極で用いられる拡散層としては、例えばガス透過性を付与するためのフルオロカーボン系ポリマーと、導電性を付与するためのカーボン粉末とを混合したカーボン粉末含有ペーストをカーボン繊維不織布などの基材に塗り込んでシート状に形成したものを用いることができる。あるいは、カーボン繊維不織布等の基材の表面にカーボン粉末含有ペーストを塗って層状に形成したものを用いることもできる。この場合、カーボン粉末含有ペースト層は、基材のセパレータ側及び反応層側のいずれか一方あるいは両方の面に設けることができる。
フルオロカーボン系ポリマーとしては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン／パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、エチレン／テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、エチレン／クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等が挙げられる。
【００１７】
溝の形成方法
拡散層への溝の形成方法については、特に限定はないが、例えば上記のようにして作製した拡散層シートの表面から一定の深さまで切断機等によって所定の溝を形成した後、所定の寸法に切断することにより、交差する溝を有する拡散層とすることができる。
また、溝を形成するための別の方法として、カーボン粉末含有ペーストとカーボン短繊維とを練り込んだ混合物を溝形成用の型に入れ、ホットプレス法で固めることにより、溝付の拡散層を成型してもよい。さらに、ガス拡散層の基材表面にカーボン粉末含有ペーストを層状に形成した電極の場合には、カーボン粉末含有ペースト層状のみに溝を形成することもできる。この場合、基材には何ら溝を設けていないので、強度的に有利な構成となる。
【００１８】
以下、本発明をさらに具体化した実施例について詳述する。
（実施例１）
実施例１の燃料電池の電極は、図１に示すように、触媒層１と、反応ガスを触媒層１へ拡散させるとともに、集電電極としての役割を果たす拡散層２と、反応ガスのガス流路を形成するセパレータ３とが積層された構造となっている。
セパレータ３の拡散層２側には、一定の間隔で互いに平行で延在する無数のリブ３ａが突出して設けられている。リブ３ａは図示しない治具により拡散層２に圧接されており、これにより、拡散層２とセパレータ３とで囲まれた流路３ｂが形成される。
また、拡散層２には、図２に示すように、セパレータ３側に開口し、一定の間隔で互いに平行で延在する排水溝４と、排水溝４と直交し、一定の間隔で互いに平行で延在する排水溝５とが設けられている。排水溝４及び排水溝５とリブ３ａとは４５°で交差しており、リブ３ａは排水溝４と排水溝５とが交差する交差部６と対面する位置に設けられている。排水溝４及び排水溝５の幅Ｗは０．８ｍｍであり、深さＤは拡散層２の厚さＴの５０％とされている。
さらには、リブ３ａの幅を１．０ｍｍとし、排水溝４及び排水溝５とリブ３ａとの関係で排水溝４及び排水溝５の幅を規定することもできる。この場合、排水溝４及び排水溝５の溝幅は、リブ３ａの幅の８０％以下とすることが望ましく、より強度を重視する場合には５０％とすることがさらに望ましい。
【００１９】
以上のように構成された実施形態１の燃料電池の電極では、図１に示すように、電極反応によって生じた水が蓄積され易いリブ３ａ下に、排水溝４と排水溝５とが交差する交差部６が存在している。このため、リブ３ａ下の拡散層２に蓄積された水が交差部６の空間に滲みだす。そして、交差部６の空間に滲みだした水は、図２に示すガス流路３ｂを流れる水素ガスや空気等の反応ガスの勢いによって引き込まれ、排水溝４又は排水溝５を伝ってガス流路３ｂ側に移動する。ここで排水溝４及び排水溝５はリブ３ａと４５°の鋭角で交差しているため、特に引き込まれやすくなっている。さらに、ガス流路３ｂまで移動した水は反応ガスとともにセル外へ排出される。こうして電極反応によって生じた水が蓄積され易いリブ３ａ下の水が迅速に排出され、フラッディング現象が防止される。このため、高い出力を出すことが可能となる。
また、図１に示すように、拡散層２の交差部６周辺はリブ３ａによって押さえられているため、その押圧力によって交差部６の窪みを広げようとする力が阻止される。このため、交差部６を起点として拡散層２が破損することが防止される。
さらに、排水溝４及び排水溝５の幅Ｗが０．８ｍｍとされているため、水の排出が確実となる。また、この程度の溝幅であれば、リブ３ａと拡散層２との接触面積はそれほど小さくならないので、セパレータの集電電極としての機能を損なうこともない。さらに、排水溝４及び排水溝５の深さＤは拡散層２の厚みＴの５０％とされているため、排水溝４及び排水溝５を設けたことによる拡散層２の機械的強度の低下も小さい。
【００２０】
なお、実施例１の変形例として、図３に示すように、隣接するリブ３ａ間の間隔を実施例１の整数倍（図３では２倍）とすることもできる。こうであれば、排水が困難となるリブ３ａ下の面積の割合が小さくなるため、さらに、フラッディング現象の防止が確実なものとなる。
また、これとは逆に、隣接する排水溝間の間隔を隣接するリブ間の間隔の整数倍とすることもできる。こうであれば、リブによる補強効果が増すため、機械的強度が大きくなる。
【００２１】
（実施例２）
実施例２の燃料電池の電極は、図４に示すように、排水溝１４と排水溝１５とが４５°で交差して設けられている。また、排水溝１４の全長がリブ１３ａの延在する方向に対面して設けられている。その他の構成は図１に示す実施例１の電極と同様であり、同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２２】
実施例２の燃料電池の電極では、排水溝１４の全長においてリブ１３ａによって拡散層２が押さえられているため、交差部１６の周辺のみならず、排水溝１４の全長において、排水溝１４を起点とする拡散層２の変形が阻止される。このため、実施例１よりもさらに確実に拡散層２の破損を防止することができる。
また、リブ１３ａ下の拡散層２に蓄積された水は、排水溝１５を伝ってガス流路３ｂ側に移動することにより、排除される。排水溝１５はリブ３ａと４５°の鋭角で交差しているため、排水溝１５を伝ってのガス流路３ｂ側への移動が行われやすい。さらに、ガス流路３ｂまで移動した水は反応ガスとともにセル外へ排出されるため、フラッディング現象が防止され、高い出力を出すことが可能となる。
他の作用効果は実施例１の燃料電池の電極と同様である。
【００２３】
なお、実施例２の第1変形例として、図５に示すように、排水溝１５を反応ガスの流れる方向に傾斜して設けてもよい。こうであれば、排水溝１５に溜まった水がガス流路を流れる反応ガスの勢いによって排除される際に、排水溝１５内部の水が排水溝１５の傾斜を駆け上って排除され易くなる。このため、排水溝１５が反応ガスの方向に対して垂直とされている実施例２と比べて、水の排除がさらに促進される。
【００２４】
また、実施例２の第2変形例として、図６に示すように、隣接するリブ１３ａ間の間隔を実施例２の整数倍（図６では２倍）とすることもできる。こうであれば、排水が困難となるリブ３ａ下の面積の割合が小さくなるため、さらに、フラッディング現象の防止が確実なものとなる。
【００２５】
（実施例３）
実施例３の燃料電池の電極は、図７に示すように、排水溝２４の全長がリブ２３ａの延在する方向にリブ２３ａと対面して設けられており、排水溝２５がリブ２３ａと直角方向に設けられている。リブ２３ａ間の間隔は、排水溝２４間の間隔の２倍とされている。その他の構成は図１に示す実施例１の電極と同様であり、同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２６】
実施例３の燃料電池の電極では、実施例２と同様に、排水溝２４の全長においてリブ２３ａによって拡散層２が押さえられている。このため、交差部２６のみならず、排水溝２４の全長において、排水溝２４を起点とする拡散層２の変形が阻止される。このため、実施例１よりもさらに確実に拡散層２の破損を防止することができる。
【００２７】
この発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施例１の燃料電池の電極に係り、図２のＩ-Ｉ矢視断面図である。
【図２】実施例１に係る燃料電池の電極の平面図である。
【図３】実施例１の変形例に係る燃料電池の電極の平面図である。
【図４】実施例２に係る燃料電池の電極の平面図である。
【図５】実施例２の第１変形の燃料電池の電極に係り、図４のＶ-Ｖ矢視断面図である。
【図６】実施例２の第２変形例に係る燃料電池の電極の平面図である。
【図７】実施例３に係る燃料電池の電極の平面図である。
【図８】拡散層に排水用の溝を設けた従来の燃料電池の電極の断面図である。
【図９】リブに対面する位置に排水用の溝を設けた燃料電池の電極の断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
２…拡散層
3…セパレータ
3ｂ…ガス流路
３ａ，１３ａ，２３ａ…リブ
４，１４，２４…排水溝（第１の溝）
５，１５，２５…排水溝（第２の溝）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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